KR102258976B1 - 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents
계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102258976B1 KR102258976B1 KR1020190174145A KR20190174145A KR102258976B1 KR 102258976 B1 KR102258976 B1 KR 102258976B1 KR 1020190174145 A KR1020190174145 A KR 1020190174145A KR 20190174145 A KR20190174145 A KR 20190174145A KR 102258976 B1 KR102258976 B1 KR 102258976B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- binder
- hdpe
- kenaf
- density polyethylene
- kenaf fiber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
- C08L23/04—Homopolymers or copolymers of ethene
- C08L23/06—Polyethene
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
- B29B7/00—Mixing; Kneading
- B29B7/80—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29B7/88—Adding charges, i.e. additives
- B29B7/90—Fillers or reinforcements, e.g. fibres
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
- B29C45/0005—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor using fibre reinforcements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/045—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with vegetable or animal fibrous material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
- C08K7/02—Fibres or whiskers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L23/26—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers modified by chemical after-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료에 관한 것으로서, 케나프 섬유를 필러로서 5 내지 50중량% 포함하고, 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE)을 매트릭스로서 40 내지 94중량%포함하며, 상기 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스에 결합제를 1 내지 10중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료에 관한 것이다.
Description
본 발명은 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료에 관한 것으로서, 상세하게는 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 케나프 섬유를 포함하는 바이오복합재료에 결합제를 포함하여, 상기 복합재료의 계면 결합력, 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료에 관한 것이다.
섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics, FRP)이 사용되기 시작한 것이 반세기를 넘었다. 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 천연섬유로 크게 3가지로 나눌 수 있으며, 연주용 기타, 스포츠용품, 자동차, 선박 등 각종 산업, 수송 및 스포츠/레져 분야로부터 초경량 비행기, 전자재료, 항공우주 및 국방소재 등 첨단 분야에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 기존의 복합재료는 자연환경 내에서 쉽게 분해되지 않고, 재사용도 어려운 일반 보강재를 포함하고 있어, 환경규제의 강화와 함께 소재의 활용이 점점 제한 받고 있는 추세이다.
지난 수십 년 동안 복합재료 분야에서 천연섬유를 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 천연섬유복합재료는 낮은 마모, 낮은 밀도, 저렴한 비용, 가용성 및 생분해성과 같은 합성섬유와 비교하여 많은 장점을 제공한다. 일반적으로 보강섬유로 사용되는 천연섬유는 대마, 황마, 케나프와 같은 식물계 섬유이다. 이러한 관심이 높아지는 이유 중 하나는 천연섬유가 유리섬유보다 더 높은 특정 강도와 유사한 탄성률을 가지고 있으며, 비교적 저렴하기 때문이다.
바이오복합재료(biocomposites)는 보강재로 천연섬유를 사용하고 매트릭스 수지로는 생분해성 고분자 또는 비생분해성 고분자수지로 구성된 복합재료이다. 자연계에서 대량으로 얻어지는 바이오매스(biomass)에 기반한 천연섬유가 지니고 있는 생분해능 때문에 바이오섬유(Biofiber)라고도 부르는 친환경 보강섬유와 함께 천연 섬유강화 플라스틱(Natural Fiber-Reinforced Plastics: NFRP)에 적용된 고분자수지의 종류에 따라 일부 생분해성 또는 완전한 생분해성을 가져 바이오복합재료라고도 일컫는다. 또한 친환경 천연섬유로 이루어져 그린복합재료(Green Composites)라고도 부른다.
한편, 이러한 바이오복합재료는 보강재로 천연섬유를 사용하고 매트릭스로서 수지를 사용함에 따라 계면특성을 비롯한 물성이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이는, 천연섬유가 친수성의 거친 표면을 가지고 물리 화학적으로 불균일한 반면, 고분자매트릭스는 소수성임에 따른 것이다.
이에 따라, 바이오복합재료의 계면특성을 비롯한 물성 향상을 위한 연구들이 진행되고 있다.
이와 관련하여, 미국등록특허 제9,309,392호(2016.04.12)는 재사용 플라스틱을 이용한 강화된 고분자 복합재에 관한 것으로서, 재사용 저밀도 폴리에틸렌, 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 재사용 폴리프로필렌으로 이뤄지는 고분자에 유리섬유 및 운모를 포함하여, 높은 열변형 온도, 우수한 기계적 특성 및 개선된 열 안정성을 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기의 선행기술은 유리섬유 및 마이카로 강화시킨 재사용 플라스틱 소재는 열적·기계적 특성이 여전히 산업적 이용가능성을 증대시킬 만한 수준에 미치지 못하는 문제점이 있다.
또한, 미국등록특허 제 9,422,423호(2016.08.23)는 재생 플라스틱으로 성형 압축된 복합제품에 관한 것으로서, 재사용 HDPE 성분과 PE, PP 및 LDPE중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함한 중합체에 유리비드 또는 섬유 강화성분과, 자유 라디칼 개지제 및 말레산 무수물과 같은 올레핀 모노머를 첨가하여 압축 성형함으로써 복합제품을 제조할 수 있음을 개시하고 있다.
그러나 상기의 선행기술은 중합체 성분의 총 중량에 대해 재사용 HDPE 성분을 일부만 포함하고 있어, 제조되는 복합제품의 구조적 안정성에서 오는 모듈러스 및 강도 향상에 한계가 있다.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한 본 발명은 상기 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 케나프 섬유를 필러로서 5 내지 50중량% 포함하고, 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE)을 매트릭스로서 40 내지 94중량%포함하며, 상기 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스에 결합제를 1 내지 10중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 결합제는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)일 수 있다.
바람직하게는 상기 결합제는 바이오복합재료에 케나프 섬유를 10 내지 25중량%로 포함할 때, 1 내지 5중량% 로 포함되며, 상기 결합제에 말레산 무수물은 0.5 내지 5중량% 그래프트된(grafted) 형태로 포함될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop) 형태일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 복합재료는 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제를 해결하기 위하여, (1) 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE) 및 결합제를 건조하는 단계; (2) 상기 건조된 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 결합제를 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제가 포함된 r-HDPE 압출 성형물을 제조하는 단계; (3) 상기 압출 성형물을 건조한 후, 건조된 케나프 섬유와 함께 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 제조하는 단계; 및 (4) 상기 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 사출 성형하는 단계;를 포함하며, 상기 케나프 섬유는 5 내지 50중량%, r-HDPE은 40 내지 94중량% 및 결합제는 1 내지 10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법이 제공된다.
일 실시예로서, 상기 (1) 단계는 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 결합제가 20 내지 100 ℃에서 5 내지 15시간 건조될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 (2) 단계에서의 스크류 회전 속도는 10 내지 120 rpm이고, 투입속도는 1 내지 15 kg/h이며, 온도는 50 내지 200 ℃일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 (3) 단계에서는 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물이 건조된 후 메인 피더로 투입되고, 건조된 케나프 섬유는 사이더 피더로 투입되며, 상기 메인 피더 스크류 회전 속도는 10 내지 120 rpm이고, 사이더 피더의 스크류 회전 속도는 5 내지 50 rpm이며, 온도는 50 내지 200℃일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop) 형태로, 20 내지 150 ℃에서 10 내지 25시간 건조될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 (4) 사출 성형 단계 전에 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 20 내지 100℃에서 8 내지 24 시간 동안 건조되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 결합제는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 (4) 단계에서 사출 성형된 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE는 케나프 섬유가 5 내지 50중량%, r-HDPE가 40 내지 94중량% 및 결합제가 1 내지 10중량%로 포함되고, 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m일 수 있다.
본 발명의 복합재료는 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 케나프 섬유를 포함하는 바이오복합재료에 결합제를 포함함에 따라 상기 케나프 섬유 필러와 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스 사이 계면 결합력이 향상되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 결합제는 폴리에틸렌 기반 말레산 무수물 폴리에틸렌임에 따라 케나프 섬유는 물론이고 매트릭스인 재사용 고밀도 폴리에틸렌과 보다 용이하게 결합되어 계면 특성은 물론이고, 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 따른 바이오복합재료는 종래 바이오복합재료가 가지고 있던 계면 결합력 및 이에 따른 문제점을 개선함에 따라 자동차, 스포츠용품, 건축, 전자재료, 항공 및 우주 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 계면전단강도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴곡특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단면의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴곡특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단면의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 케나프 섬유를 필러로서 5 내지 50중량% 포함하고, 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE)을 매트릭스로서 40 내지 94중량%포함하며, 상기 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스에 결합제를 1 내지 10중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료가 제공된다.
본 발명에 있어서, 케나프 섬유는 마섬유의 일종으로 복합재료의 필러로서 5 내지 50중량% 포함된다.
이때 상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop)형태이고, 바람직하게는 평균 길이가 2 내지 6 mm로 촙핑(chopping)되는 것을 특징으로 한다.
이는, 분쇄된 케나프 섬유의 크기가 2mm 미만인 경우에는 섬유의 종횡비가 낮아 보강 효과가 기대에 못 미칠 수 있으며, 6mm 초과하는 경우에는 재활용 고밀도 폴리에틸렌과의 컴파운딩시 섬유끼리 응집되거나 섬유에 전단력이 작용하여 섬유가 절단되거나 손상될 우려가 있어 섬유의 분산성이 떨어져 복합재료의 물성을 저하하기 때문에 상기의 범위를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 케나프 섬유는 5 내지 50중량% 포함되는데, 이는 5 중량% 미만의 경우 복합재에서 필러로서의 섬유 강화 효과를 나타낼 수 없으며, 50중량%를 초과할 경우에는 복합재로서의 제조 공정에 있어서의 어려움이 존재하기 때문이다. 일 예로, 천연 섬유인 케나프 섬유의 함량이 증가하면 압출 성형물의 냉각 및 보관에 있어서 수분의 제거를 위한 환류 건조 과정이 길어지는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명에 있어서, 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE)은 상업적으로 플라스틱 파렛트로 사용하다 손상되거나 깨져서 이용가치가 떨어진 플라스틱 파렛트를 분쇄 및 재압출한 것으로서, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하며, 바이오복합재료에 매트릭스로서 40 내지 94중량%로 포함된다.
이때, 상기 r-HDPE의 평균 크기는 2 내지 20 mm의 범위에서 조정되는 것이 바람직하다. 특히, 20 mm를 초과할 경우 r-HDPE 매트릭스는 압출공정에 있어서 메인피더를 통한 원활한 투입이 어려워 공정상에 문제점을 야기할 수 있으므로, r-HDPE의 크기는 20 mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다
또한, 이때 상기 r-HDPE는 40 내지 94중량%로, 이는 40 중량% 미만일 경우, 매트릭스로의 기능성이 저하되고 매트릭스 상에 케나프 섬유가 충분히 분산될 수 없어 섬유 강화 효과가 감소되는 문제점이 있고, 94중량%를 초과할 경우, 필러로서 포함되는 케나프 섬유 및 결합제의 함량이 저하되어 복합재의 물성이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
본 발명에 있어서, 결합제는 상기 케나프 섬유 필러와 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스 사이의 계면 결합력 향상을 위하여 매트릭스에 첨가된 것으로서, 바이오복합재료에 1 내지 10중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
이는, 결합제가 1중량% 미만으로 포함될 경우, 케나프 섬유와 충분한 결합력을 형성할 수 없어 r-HDPE 매트릭스와 케나프 섬유의 계면 사이의 결합력 향상 효과가 미미하며, 10중량%를 초과할 경우에는 케나프 섬유와 결합하지 않고 r-HDPE 매트릭스 상에 존재하는 결합제의 함량이 증가되어 결합제를 포함하였음에도 불구하고 결함으로 작용하여 물성이 저하될 수 있기 때문이다.
바람직하게는 상기 결합제는 유기계 결합제로서, 보다 바람직하게는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)이고, 복합재료에 케나프 섬유를 10 내지 25중량%로 포함할 때, 1 내지 5중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 말레산 무수물 폴리에틸렌 결합제는 말레산 무수물이 폴리에틸렌에 그래프트 결합된 것으로서, 말레산 무수물이 0.5 내지 5중량% 그래프트된(grafted) 형태로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 말레산 무수물 폴리에틸렌 결합제는 천연 섬유인 케나프 섬유와 r-HDPE와의 결합성능이 우수한 것을 특징으로 한다. 상세하게는 상기 r-HDPE 매트릭스에 포함된 말레산 무수물 폴리에틸렌 결합제는 산소기(O)를 포함하고 있어, 케나프 섬유의 히드록시기(OH)와 화학적으로 결합을 형성하여 케나프 섬유와 r-HDPE 매트릭스 사이의 계면결합력을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
더욱이 본 발명의 결합제 MAPE는 폴리에틸렌 기반으로 매트릭스 수지인 r-HDPE와 보다 안정적인 결합을 형성할 수 있다.
이에 따라 MAPE를 결합제로서 포함하는 케나프 섬유 및 r-HDPE를 포함하는 바이오복합재료는 계면전단강도 향상은 물론이고, 계면특성 향상에 따라 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도 또한 향상될 수 있다.
바람직하게는 상기 복합재료는 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (1) 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE) 및 결합제를 건조하는 단계; (2) 상기 건조된 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 결합제를 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제가 포함된 r-HDPE 압출 성형물을 제조하는 단계; (3) 상기 압출 성형물을 건조한 후, 건조된 케나프 섬유와 함께 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 제조하는 단계; 및 (4) 상기 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 사출 성형하는 단계;를 포함하며, 상기 케나프 섬유는 5 내지 50중량%, r-HDPE은 40 내지 94중량% 및 결합제는 1 내지 10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법이 제공된다.
상세하게는 상기 제 (1) 단계는 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE) 및 결합제를 건조하는 단계로서, 20 내지 100℃에서 5 내지 15시간 건조하여 세척 시 포함되어 있는 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
이는, 상기 건조 온도가 20℃ 미만일 경우에는 r-HDPE 및 결합제가 미건조 상태로 존재하게 되어 압출공정 시에 수증기가 발생하게 되고 상기 수증기로 인하여 팝핑(popping)현상이 발생되며, 100℃를 초과할 경우에는 r-HDPE 및 결합제가 열 이력에 의한 물성이 손상되기 때문이다.
또한, 바람직하게는 상기 건조는 40 내지 70℃에서 10 내지 15 시간동안 건조되는 것을 특징으로 하며, 오븐에서 건조될 수 있으나 건조 방법은 이에 한정되지 않는다.
상기 r-HDPE은 상업적으로 플라스틱 파렛트로 사용하다 손상되거나 깨져서 이용가치가 떨어진 플라스틱 파렛트를 분쇄 및 재압출한 것으로서, 펠렛 형태인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 r-HDPE의 평균 크기는 2 내지 20 mm의 범위에서 조정되는 것이 바람직하다. 특히, 20 mm를 초과할 경우 r-HDPE 매트릭스는 압출공정에 있어서 메인피더를 통한 원활한 투입이 어려워 공정상에 문제점을 야기할 수 있으므로, r-HDPE의 크기는 20 mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다
또한, 상기 결합제는 유기계 결합제로, 말레산 무수물이 폴리에틸렌에 그래프트 결합된 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)인 것이 바람직하며, 이때 말레산 무수물은 0.5 내지 5중량% 그래프트된(grafted) 형태로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 결합제 MAPE는 폴리에틸렌 기반임에 따라 매트릭스 수지인 r-HDPE와 보다 안정적인 결합을 형성할 수 있다.
다음으로 (2) 단계는 결합제가 포함된 r-HDPE 압출 성형물을 제조하는 단계로, 상기 건조된 r-HDPE 및 결합제를 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형하는 것을 특징으로 한다.
압출기는 구조에 따라 싱글 스크류 압출기(single screw extruder)와 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)로 나눌 수 있으며, 혼합 및 압출 성형 공정시의 압출기는 싱글 스크류 압출기 또는 트윈 스크류 압출기 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
바람직하게는 트윈 스크류 압출기를 사용하여, 혼합 및 압출 성형공정을 진행하는 것이 바람직하다. 이는 트윈 스크류 압출기는 열전달 속도면에서 우수하며, 또한 열전달의 조정이 용이하다. 또한, 압출 성형에 필요한 압력은 짧은 배출 부위에서 형성되어 마모되는 부분이 적기에 트윈 스크류 압출기를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (2) 단계에서는 압출기의 메인 피더에 상기 건조된 r-HDPE 및 결합제를 함께 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제가 포함된 r-HDPE 압출 성형물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이때 메인 피더 스크류 회전 속도는 10 내지 120rpm이고, 투입속도는 1 내지 15 kg/h이며, 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 한다.
이는 상기 회전 속도가 10 rpm 미만일 경우 압출물이 천천히 생성되어 공정상에 효율성이 떨어지며, 120 rpm이상일 경우 압출기 기계 자체에 무리가 가며, 강한 전단력에 의해서 보강재가 크게 손상을 입을 수 있기 때문이다.
또한, 투입속도가 1kg/h 미만인 경우 공정상의 효율성이 떨어지고, 15kg/h를 초과한 경우에는 압출기 내부에 압력이 과하게 작용하여 압출기 기계에 문제가 발생 할 수 있기 때문이다.
또한, 온도가 50℃ 미만의 경우 r-HDPE가 용융되지 않아 압출공정이 진행 될 수 없으며, 200℃를 초과할 경우에는 r-HDPE 및/또는 결합제가 열분해되거나 변성되어 물성이 저하되는 문제가 발생된다.
바람직하게는 상기 압출기의 회전 속도는 50 내지 100 rpm 이고, 투입속도는 3 내지 10 kg/h이며, 온도는 100 내지 180℃인 것을 특징으로 한다.
다음으로 (3) 단계는 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 제조하는 단계로서, 상세하게는 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물을 건조한 후, 건조된 케나프 섬유와 함께 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게는 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물은 20 내지 100℃에서 5 내지 24시간 건조하여 수분을 제거한 후, 건조된 케나프 섬유와 압출기에서 혼합 및 압출 성형되는 것이 바람직하며, 상기 건조는 환류건조일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 케나프 섬유는 마섬유의 일종으로 생산과정에서 1차적으로 절단된 다발(bundle) 형태이나, 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물과의 혼합 및 압출 성형되기 위하여, 촙(chop) 형태로 분쇄되는 것이 바람직하다.
이에, 상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop)형태인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 평균 길이가 2 내지 6 mm로 촙핑(chopping)되는 것을 특징으로 한다.
이는, 분쇄된 케나프 섬유의 크기가 2 mm 미만인 경우에는 섬유의 종횡비가 낮아 보강 효과가 기대에 못 미칠 수 있으며, 6 mm 초과하는 경우에는 재활용 고밀도 폴리에틸렌과의 컴파운딩시 섬유끼리 응집되거나 섬유에 전단력이 작용하여 섬유가 절단되거나 손상될 우려가 있어 섬유의 분산성이 떨어져 복합재료의 물성을 저하하기 때문에 상기의 범위를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 케나프 섬유는 정전기적으로 끌어당기며 유연한 천연섬유의 특성상 섬유의 길이가 일정 수준이 넘어감에 따라서 수백 ㎛단위의 재료라도 투입이 원활하지 않게 됨으로 천연섬유를 균일하게 투입하기 위해서는 투입 전의 상태로 가공된 천연섬유에 외력을 되도록 가하지 않는 것이 유리하다.
또한, 상기의 촙 형태의 케나프 섬유는 천연 섬유임에 따라 수분이 포함되어 있어, 20 내지 150℃에서 10 내지 25시간 건조하여, 케나프 섬유에 포함되어 있는 수분을 제거하는 것이 바람직하며, 이때, 환류 건조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기와 같이 상기 (3) 단계에서는 건조된 케나프 섬유와 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물이 건조된 후 함께 압출기에 투입되어 혼합 및 압출 성형됨으로써, 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물로 제조된다.
이때, 상기 건조된 압출 성형물은 메인 피더에 투입되고, 건조된 케나프 섬유는 사이더 피더로 투입되며, 상기 메인 피더 스크류 회전 속도는 10 내지 120 rpm이고, 사이더 피더의 스크류 회전 속도는 5 내지 50 rpm이며, 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 메인 피더 회전 속도는 50 내지 100 rpm 이고, 사이더 피더의 회전 속도는 온도는 5 내지 30 rpm인 것을 특징으로 한다. 이는, 상기의 회전 속도를 벗어날 경우 압출기의 사이드 피더로 투입되는 케나프 섬유의 섬유간 응집현상으로 인해 스크류의 회전이 중단될 가능성이 존재하기 때문이다.
마지막 (4) 단계는 상기 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 사출 성형하는 단계이다.
상세하게는 상기 (4) 사출 성형 단계 전에 결합제를 포함한 케나프 섬유-재사용 고밀도 폴리에틸렌 성형물을 20 내지 100℃에서 8 내지 24시간 동안 건조되는 단계를 더 포함하여, 사출 성형이 용이하게 이뤄질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 이때 건조는 환류건조일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 사출 성형에서 사출기 내부의 압력은 10 내지 35 kgf/㎠이고, 내부 온도는 150 내지 200 ℃인 것이 바람직하다. 이는, 상기 내부 온도가 200℃를 초과할 경우에는 천연섬유인 케나프 섬유 또는 재사용 고밀도 폴리에틸렌이 고온에 의해 열분해되거나 변성되어 바이오복합재료 조성물의 물성이 현격히 저하될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 사출기 내부의 압력이 10 kgf/㎠ 미만일 경우, 성형물이 제대로 사출 및 형성되지 않으며, 35 kgf/㎠를 초과할 경우에는 성형물이 깨어지는 문제점이 발생된다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 (4) 단계에서 제조된 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 사출 성형물은 상기 케나프 섬유는 5 내지 50중량%, r-HDPE은 40 내지 94중량% 및 결합제는 1 내지 10중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
케나프 섬유 함량이 5 중량% 미만의 경우 복합재에서 필러로서의 섬유 강화 효과를 나타낼 수 없으며, 50중량%를 초과할 경우에는 압출 공정의 어려움과 연속공정에 있어서 사출공정 전의 냉각공정을 실시하기 어려운 문제가 발생되기 때문이다. 일 예로, 천연 섬유인 케나프 섬유의 함량이 증가하면 압출 성형물의 냉각 및 보관에 있어서 수분의 제거를 위한 환류 건조 과정이 길어지는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 이때 상기 r-HDPE는 40 내지 94중량%로, 이는 40 중량% 미만일 경우, 매트릭스로의 기능성이 저하되고 매트릭스 상에 케나프 섬유가 충분히 분산될 수 없어 섬유 강화 효과가 감소되는 문제점이 있고, 94중량%를 초과할 경우, 필러로서 포함되는 케나프 섬유 및 결합제의 함량이 저하되어 복합재의 물성이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
또한, 상기 결합제는 상기 케나프 섬유 필러와 r-HDPE 매트릭스 사이의 계면 결합력 향상을 위하여 매트릭스에 첨가된 것으로서, 바람직하게는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)으로, 상기 r-HDPE 매트릭스에 포함된 MAPE 결합제는 산소기(O)를 포함하고 있어, 케나프 섬유의 히드록시기(OH)와 화학적으로 결합을 형성하여 케나프 섬유와 r-HDPE 매트릭스 사이의 계면결합력을 향상시킬 수 있다.
이에 본 발명에 따라 제조된 복합재료는 계면전단강도가 향상됨은 물론이고, 계면특성 향상에 따라 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도 또한 향상될 수 있다.
바람직하게는 상기 복합재료는 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m인 것을 특징으로 한다.
이때 결합제는 1 내지 10중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다. 이는, 결합제가 1중량% 미만으로 포함될 경우, 케나프 섬유와 충분한 결합력을 형성할 수 없어 r-HDPE 매트릭스와 케나프 섬유의 계면 사이의 결합력 향상 효과가 미미하며, 10중량%를 초과할 경우에는 케나프 섬유와 결합하지 않고 r-HDPE 매트릭스 상에 존재하는 결합제의 함량이 증가되어 결합제를 포함하였음에도 불구하고 결함으로 작용하여 물성이 저하될 수 있기 때문이다.
바람직하게는 상기 결합제는 복합재료에 케나프 섬유가 10 내지 25중량%로 포함될 때, 1 내지 5중량%로 포함되는 것는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 말레산 무수물 폴리에틸렌 결합제는 말레산 무수물이 폴리에틸렌에 그래프트 결합된 것으로서, 말레산 무수물이 0.5 내지 5중량% 그래프트된(grafted) 형태로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 복합재료는 산화방지제, UV 안정제, 난연제, 착색제, 가소제, 열안정제, 슬립제 및 대전방지제로 이뤄진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
시료
케나프 섬유는 한우리섬유(주)(한국)에서 구입한 것으로서, 평균 길이가 약 2 내지 4mm 가 되도록 절단하여 촙(chop) 형태로 사용하였다.
재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused-high density polyethylene: r-HDPE)은 한국파렛트풀(주)(한국)에서 공급받은 것으로 상업적으로 플라스틱 파렛트로 사용하다 손상되거나 깨져서 이용가치가 떨어진 플라스틱 파렛트를 분쇄하여, 재 압출공정을 통해 만들어진 것으로, 펠렛 형태인 것을 사용하였다.
결합제(coupling agent)로 사용한 말레산 무수물 폴리에틸렌(maleic anhydride polyethylene: MAPE)은 PROCHEM(대한민국)에서 구입한 것으로 펠렛 형태의 BONDYRAM 5108 모델을 사용하였다.
결합제(coupling agent)로 사용한 말레산 무수물 폴리프로필렌(maleic anhydride polypropylene: MAPP)은 롯데케미칼(주)(한국)에서 구입한 것으로 PH-200 모델로, 분말 형태였다.
전처리
바이오복합재료 제조 전에 케나프 섬유는 100℃의 환류오븐에서 18시간 이상 건조하였고, 재사용 고밀도폴리에틸렌(r-HDPE)는 60℃의 오븐에서 12시간 동안 건조하였다
또한, 결합제 MAPE 및 MAPP는 60℃에서 12시간 이상 건조하였다.
<제조>
(1) r-HDPE/결합제 펠렛 제조
상기 전처리된 r-HDPE와 결합제를 함께 지퍼백에 넣고 충분히 예혼합(pre-mixing)한 후, 이를 이축압출기의 메인 피더(main feeder)에 투입하여 압출공정을 실시함으로써, r-HDPE와 결합제를 컴파운딩(compounding)하였다.
이때, 상기 이축압출기는 L/D(길이/직경 비)가 42이고 스크류의 지름이 30 mm인 modular intermeshing co-rotating 방식의 BT-30-S2-421(LG, 한국)를 사용하였으며, 메인 피더의 스크류 회전 속도(Main feeder speed)는 80rpm이고, 투입속도(feeding rate)는 5.5 kg/h이며, 압출기 내 베럴(barrel)의 영역별 온도는 하기 표 1과 같았다.
또한, 상기 압출기 다이(die)에서 나온 압출물(extrudate)은 연속적인 수냉 과정을 거쳐 냉각되며, 이후 펠렛타이저(pelletizer)를 이용하여 펠렛으로 수득하였다.
하기 표 2는 상기 과정에 의해 제조된 r-HDPE/결합제 펠렛의 성분 및 이의 함량을 나타낸다.
| 베럴 온도(℃) | ||||||||
| 영역1 | 영역 2 | 영역 3 | 영역 4 | 영역 5 | 영역 6 | 영역 7 | 헤드 | 다이 |
| 100 | 120 | 130 | 140 | 145 | 155 | 155 | 150 | 140 |
| r-HDPE(wt%) | MAPE결합제(wt%) | MAPP결합제(wt%) | |
| (1) r-HDPE/MAPE | 97 | 3 | - |
| (2) r-HDPE/MAPE | 96 | 4 | - |
| (3) r-HDPE/MAPE | 95 | 5 | - |
| (4) r-HDPE/MAPP | 97 | - | 3 |
(2) <실시예 1 내지 3> 케나프 섬유/r-HDPE/MAPE 펠렛 제조
상기 제조된 r-HDPE/MAPE (1) 내지 (3)을 각각 충분히 건조하였다.
다음으로, 상기 건조된 r-HDPE/MAPE (1) 내지 (3) 각각에 대해 상기 전처리된 케나프 섬유와의 압출공정을 실시함으로써, 케나프 섬유/r-HDPE/MAPE 바이오복합재료를 펠렛으로 제조하였으며, 이를 실시예 1 내지 실시예 3으로 하였다.
이때, 상기 압출공정은 r-HDPE/MAPE 펠렛 제조와 동일한 압출기 및 베럴 온도조건에서 실시되었고, r-HDPE/MAPE 펠렛은 메인 피더(main feeder)로 투입되고, 케나프 섬유는 사이드 피더(side feeder)로 투입되었으며, 사이드피더 스크류 속도(Side feeder screw speed)는 25 rpm이고 사이드 피딩 속도(sied feeding rate)는 3.1 kg/h 로 하였다.
또한 이때 메인 피더 속도는 80 rpm이고, 메인 피딩 속도(main feeding rate)는 5.5 kg/h 로 하였다.
이에 따라 제조된 케나프 섬유/r-HDPE/MAPE 바이오복합재료 실시예 1 내지 3을 표 4에 나타내었다.
(3) <비교예 1> 케나프 섬유/r-HDPE/MAPP 펠렛 제조
상기 제조된 (4) r-HDPE/MAPP를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 케나프 섬유/r-HDPE/MAPE 펠렛 제조와 동일한 조건 및 방법으로 케나프 섬유/r-HDPE/MAPP 바이오복합재료를 펠렛으로 제조하였다.
이를 비교예 1로 하였으며, 성분비는 표 4에 나타내었다.
(4) <비교예 2> 케나프 섬유/r-HDPE 펠렛 제조
결합제를 포함하지 않는 것을 제외하고는 상기 전처리된 r-HDPE 및 케나프 섬유를 상기 실시예와 동일한 압출공정에 따라 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료로 제조하고, 이를 비교예 2로 하였다.
이를 표 4에 나타내었다.
| 케나프 섬유(wt%) | r-HDPE(wt%) | 결합제(wt%) |
||
| MAPE | MAPP | |||
| 실시예 1 | 20 | 77 | 3 | - |
| 실시예 2 | 20 | 76 | 4 | - |
| 실시예 3 | 20 | 75 | 5 | - |
| 비교예 1 | 20 | 77 | - | 3 |
| 비교예 2 | 20 | 80 | - | - |
<시험>
시편제작
상기 제조된 바이오복합재료(실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2)에 대한 특성을 분석하기 위하여 시편을 제작하였다.
시편 제작은 사출성형 공정을 통하여 실시되었다.
먼저 상기 제조된 각각의 바이오복합재료의 압출 펠렛에 대하여, 60℃ 환류오븐에서 12시간 건조한 후, 사출 성형기(PRO-WD 80(동신유압사, 한국))의 호퍼에 투입하고, 상기 사출 성형기에서 노즐을 통해 몰드로 인입된 사출 결과물을 50℃의 온도에서 15초간 냉각하였다.
상기 사출 성형공정을 통해 수득된 각각의 바이오복합재료를 사출압력 15~20 kgf/㎠, 보압 15~20 kgf/㎠ 및 시간 0~5 초의 조건을 통해 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에 대한 각각의 시편을 제작하였다.
(1) 계면전단강도(Interfacial Shear Strength, IFSS)
결합제에 따른 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료의 계면특성을 분석하기 위하여, 실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2 각각에 대한 단섬유 마이크로본딩(single fiber microbonding) 시험을 실시하였다.
도 1은 결합제 성분 및 함량에 따른 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료에서의 r-HDPE수지와 케나프 섬유의 계면특성을 나타내었다.
이를 참고하면, 결합제를 포함한 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료에서 계면전단강도(IFSS)가 향상됨을 알 수 있다. 결합제로서 MAPP를 포함하는 비교예 1의 IFSS는 5.8 MPa로 결합제를 포함하지 않은 비교예 2의 IFSS 4.5 MPa에 비해 약 20% 더 높은 IFSS를 나타낸다.
더욱이, 결합제로서 MAPE를 포함하는 경우, MAPP를 포함하는 경우보다 더 높은 IFSS를 나타낸다. 실시예 1은 비교예 1과 동일한 함량으로 결합제를 포함하되, 결합제로서 MAPE를 포함하는 것으로서, MAPP를 결합제로서 포함하는 비교예 1에 비해 더 높은 IFSS를 나타낸다.
이에, MAPE는 케나프 섬유와 r-HDPE 수지의 계면 특성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있고, MAPE가 MAPP보다 더 높은 IFSS를 나타낸 것은 고분자수지의 주골격(backbone)에서 MAPE는 폴리에틸렌 기반이지만 MAPP는 폴리프로필렌 기반이기 때문에 r-HDPE와 미세결함의 차이로 나타나는 경향인 것으로 판단된다.
또한, 실시예 2 보다 결함제의 함량이 더 높은 실시예 3에서 IFSS가 감소한 것은 과량의 MAPE의 MA가 케나프 섬유와 결합하지 못하여 미세결함으로 작용한 것으로 판단된다.
(2) 인장특성(Tensile Strength)
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2 각각에 대한 결합제에 따른 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료의 인장특성을 분석하여 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면, 결합제로서 MAPP를 포함하는 바이오복합재료 비교예 1의 인장강도는 28.1MPa로 결합제가 첨가되지 않은 바이오복합재료 비교예 2의 인장강도가 22.8MPa보다 약 20% 증가된 인장강도를 나타낸다.
이는, 바이오복합재료에서 MAPP의 첨가는 MA에 의해 케나프 섬유의 함침성이 증가하여 계면결합력의 향상으로 이어지기 때문으로, 결합제의 첨가로 케나프 섬유/r-HDPE바이오 복합재료의 인장강도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
더욱이, 상기 비교예 1과 동일 함량으로 결합제를 포함하되, 결합제로서 MAPE를 포함한 실시예 1은 인장강도가 31.1 MPa로 상기 비교예 1보다 약 10%향상된 인장강도를 나타낸다.
이에, 결합제로서 MAPE를 포함하는 경우, 케나프 섬유와 r-HDPE 수지의 인장특성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 바이오복합재료에서 결합제인 MAPE의 함량이 실시예 2 및 3에서 증가함에도 불구하고 인장특성이 크게 증가하지 않는다. 이는 케나프 섬유 20 wt%에 대해 MAPE는 4 wt%이상으로 포함될 시 과량의 MAPE가 케나프 섬유와 결합하지 못하고 남게되어 복합재료 내에서 미세결함으로 작용하기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 굴곡특성
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2 각각에 대한 결합제에 따른 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료의 굴곡특성을 분석하여 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, 결합제로서 MAPP 및 MAPE를 포함하는 바이오복합재료 비교예 1 및 실시예 1의 굴곡강도는 각각 27.2 MPa 및 27.3 MPa로 결합제가 첨가되지 않은 바이오복합재료 비교예 2의 굴곡강도 19.5 MPa보다 약 40% 증가된 인장강도를 나타낸다.
굴곡특성은 케나프 섬유와 r-HDPE로 구성되어 있는 시편의 두께 방향에서의 굴곡하중에 대한 거동에 따라 영향을 받을 수 있으며, 이는 섬유와 매트릭스 사이의 계면강도에 영향을 줄 수 있는 것으로서, 결합제를 첨가한 바이오복합재료의 굴곡특성이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
한편, 결합제로서 MAPE를 포함하는 바이오복합재료의 경우 케나프 섬유 20wt%에 대해 MAPE가 4wt% 이상으로 포함될 시 결합제 함량 증가에 따른 굴곡강도 향상 효과가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.
(4) 충격특성
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2 각각에 대한 결합제에 따른 케나프 섬유/r-HDPE 바이오복합재료의 충격특성을 분석하여 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, MAPE를 결합제로서 포함한 바이오복합재료 실시예 1 내지 3은 충격강도가 각각 89, 92, 92 J/m로 결합제를 포함하지 않은 바이오복합재료 비교예 2의 충격강도 75 J/m 보다 20% 이상 충격강도가 향상됨은 물론이고, 최대 약 30% 향상될 수 있음을 알 수 있다.
이는, MAPE 결합제의 경우 폴리에틸렌 기반으로서, MA의 산소기(O)와 케나프 섬유의 히드록시기(OH)의 결합 수 증가가 케나프 섬유와 r-HDPE의 계면결합력 향상의 결과로 이어지며, 이는 케나프 섬유와 r-HDPE사이를 강화하여 외부 에너지를 효율적으로 분산함에 따른 결과로 판단된다.
한편, 결합제로서 MAPP를 포함한 바이오복합 재료 비교예 1의 경우, 충격강도가 73 J/m로 상기 결합제를 포함하지 않는 비교예 2(75 J/m)에 비해 충격강도가 약 5% 감소된다.
이는, 폴리프로필렌을 기반으로 하는 MAPP가 매트릭스 내에서 미세결함으로 작용함에 따라, 순간적으로 강한 외부 충격에너지가 바이오복합재료 내부로 들어올 때 에너지 분산을 효율적으로 하지 못하여 나타난 결과로 판단된다.
(5) 파단면 관찰
상기 충격시험 후 파단된 파단면을 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였다.
도 5는 결합제를 포함하는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 각각에 대한 파단면을 분석하여 나타낸 SEM 이미지이다.
도 5(A)는 바이오복합재에 있어서 케나프 섬유와 r-HDPE의 계면결합 상태를 관찰하기 위하여, r-HDPE에 둘러싸여 있는 케나프 섬유를 SEM(배율: x-50)으로 관찰한 것으로서, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1은 모두 파단면 전체적으로 케나프 섬유의 섬유뜯김(pull-out) 형태가 거의 나타나지 않으며, 파단면이 매우 거칠고 케나프 섬유가 r-HDPE 수지로 둘러 싸여있는 것으로 나타났다.
또한, 도 5(B)의 SEM(배율: x 600) 이미지를 참고하면, 단일 케나프 섬유와 r-HDPE 사이의 계면결합력이 개선되었음을 확인할 수 있다.
섬유와 매트릭스가 잘 결합하여 사이의 간격이 매우 좁으며, 이러한 개선된 계면결합력은 인장, 굴곡특성 및 충격강도의 향상을 가져왔으며, 결론적으로 케나프 섬유 20wt%가 함유된 케나프 섬유/r-HPDE 바이오복합재료에서 MAPE 3wt%의 MAPE를 사용하는 것이 가장 적절한 것으로 조사되었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (13)
- 케나프 섬유를 필러로서 5 내지 50중량% 포함하고,
재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE)을 매트릭스로서 40 내지 94중량%포함하며,
상기 재사용 고밀도 폴리에틸렌 매트릭스에 결합제를 1 내지 10중량% 포함하고,
상기 결합제는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop)형태인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료.
- 제 1 항에 있어서,
상기 결합제는 바이오복합재료에 케나프 섬유를 10 내지 25중량%로 포함할 때, 1 내지 5중량%로 포함되며,
상기 결합제에 말레산 무수물은 0.5 내지 5 중량%로 그래프트된 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복합재료는 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료.
- (1) 재사용 고밀도 폴리에틸렌(reused high-density polyethylene: r-HDPE) 및 결합제를 건조하는 단계;
(2) 상기 건조된 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 결합제를 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제가 포함된 r-HDPE 압출 성형물을 제조하는 단계;
(3) 상기 압출 성형물을 건조한 후, 건조된 케나프 섬유와 함께 압출기에 투입하여 혼합 및 압출 성형함으로써, 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 제조하는 단계; 및
(4) 상기 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 사출 성형하는 단계;를 포함하며,
상기 케나프 섬유는 5 내지 50중량%, r-HDPE은 40 내지 94중량% 및 결합제는 1 내지 10중량%로 포함되고,
상기 결합제는 말레산 무수물 폴리에틸렌(Maleic anhydride polyethylene, MAPE)인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 (1) 단계는 재사용 고밀도 폴리에틸렌 및 결합제가 20 내지 100℃에서 5 내지 15시간 건조되는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 (2) 단계에서의 스크류 회전 속도는 10 내지 120rpm이고, 투입속도는 1 내지 15 kg/h이며, 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 (3) 단계에서는 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형물이 건조된 후 메인 피더로 투입되고, 건조된 케나프 섬유는 사이더 피더로 투입되며,
상기 메인 피더 스크류 회전 속도는 10 내지 120rpm이고, 사이더 피더의 스크류 회전 속도는 5 내지 50rpm이며, 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 케나프 섬유는 평균 길이가 0.5 내지 10 mm의 촙(chop)형태로, 20 내지 150℃에서 10 내지 25시간 건조되는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 (4) 사출 성형 단계 전에 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE 성형물을 20 내지 100℃에서 8 내지 24 시간 동안 건조되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,
상기 (4) 단계에서 사출 성형된 결합제를 포함한 케나프 섬유-r-HDPE는 케나프 섬유가 5 내지 50중량%, r-HDPE가 40 내지 94중량% 및 결합제가 1 내지 10중량%로 포함되고, 계면전단강도가 4.6 내지 11 MPa이고, 인장강도가 23 내지 32 MPa이며, 굴곡강도가 20 내지 27.5 MPa이고, 충격강도가 76 내지 92 J/m인 것을 특징으로 하는, 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190174145A KR102258976B1 (ko) | 2019-12-24 | 2019-12-24 | 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190174145A KR102258976B1 (ko) | 2019-12-24 | 2019-12-24 | 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102258976B1 true KR102258976B1 (ko) | 2021-06-01 |
Family
ID=76375687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190174145A KR102258976B1 (ko) | 2019-12-24 | 2019-12-24 | 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102258976B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130103154A (ko) * | 2012-03-09 | 2013-09-23 | 충남대학교산학협력단 | 폴리프로필렌-폴리락트산 혼합수지/그래핀/천연섬유 바이오나노복합체 및 이의 제조방법 |
| KR101355386B1 (ko) * | 2012-01-31 | 2014-01-29 | 신일화학공업(주) | 열전도성 복합소재 조성물 및 그 제조방법 |
| KR20150105096A (ko) * | 2014-03-07 | 2015-09-16 | 현대자동차주식회사 | 압출성형용 폴리올레핀-천연섬유 복합재 조성물 |
| US9309392B2 (en) | 2014-07-18 | 2016-04-12 | Qatar University | Reinforced polymer composites from recycled plastic |
| US9422423B2 (en) | 2012-12-04 | 2016-08-23 | Rutgers, The State University Of New Jersey | Composite articles compression molded from recycled plastic |
-
2019
- 2019-12-24 KR KR1020190174145A patent/KR102258976B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101355386B1 (ko) * | 2012-01-31 | 2014-01-29 | 신일화학공업(주) | 열전도성 복합소재 조성물 및 그 제조방법 |
| KR20130103154A (ko) * | 2012-03-09 | 2013-09-23 | 충남대학교산학협력단 | 폴리프로필렌-폴리락트산 혼합수지/그래핀/천연섬유 바이오나노복합체 및 이의 제조방법 |
| US9422423B2 (en) | 2012-12-04 | 2016-08-23 | Rutgers, The State University Of New Jersey | Composite articles compression molded from recycled plastic |
| KR20150105096A (ko) * | 2014-03-07 | 2015-09-16 | 현대자동차주식회사 | 압출성형용 폴리올레핀-천연섬유 복합재 조성물 |
| US9309392B2 (en) | 2014-07-18 | 2016-04-12 | Qatar University | Reinforced polymer composites from recycled plastic |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nourbakhsh et al. | Effects of particle size and coupling agent concentration on mechanical properties of particulate-filled polymer composites | |
| Stark | Wood fiber derived from scrap pallets used in polypropylene composites | |
| Fiore et al. | PLA based biocomposites reinforced with Arundo donax fillers | |
| Adhikary et al. | Dimensional stability and mechanical behaviour of wood–plastic composites based on recycled and virgin high-density polyethylene (HDPE) | |
| Deb et al. | Natural fibers reinforced FDM 3D printing filaments | |
| US6375881B1 (en) | Process for making a plastic material | |
| Mohanty et al. | Effect of process engineering on the performance of natural fiber reinforced cellulose acetate biocomposites | |
| US9109118B2 (en) | Cellulosic inclusion thermoplastic composition and molding thereof | |
| Bhaskar et al. | Evaluation of properties of propylene-pine wood plastic composite | |
| Lee et al. | Mechanical and thermal properties of kenaf fiber reinforced polypropylene/magnesium hydroxide composites | |
| EP2800781B1 (en) | Long fiber thermoplastic formed with recycled and renewable content and process for its production | |
| US20020005602A1 (en) | Lignocellulose fiber filler for thermoplastic composite compositions | |
| Kumari et al. | Fundamental studies on wood/cellulose-plastic composites: effects of composition and cellulose dimension on the properties of cellulose/PP composite | |
| US20070259167A1 (en) | Wood/plastic composites with glass fiber reinforcement | |
| Abdul Khalil et al. | Recycled polypropylene-oil palm biomass: the effect on mechanical and physical properties | |
| Bisht et al. | Mechanical properties of rice husk flour reinforced epoxy bio-composite | |
| EP2539396B1 (de) | Kompositzusammensetzung, verfahren zu deren herstellung, formteil und verwendung | |
| WO2011014085A2 (en) | Fibre-reinforced cork-based composites | |
| Hassan et al. | Density Measurement, Tensile and Morphology Properties of Polylactic Acid Biocomposites Foam Reinforced with Different Kenaf Filler Loading | |
| KR102258976B1 (ko) | 계면특성이 향상된 케나프 섬유 및 재사용 고밀도 폴리에틸렌 바이오복합재료 및 이의 제조방법 | |
| Chaitanya et al. | Processing of lignocellulosic fiber-reinforced biodegradable composites | |
| CN110804303B (zh) | 一种再生碳纤维增强pa6材料及其制备方法 | |
| EP1070782A1 (en) | Lignocellulose fiber filler for thermoplastic composite compositions | |
| KR20200058682A (ko) | 케나프 섬유와 재활용 폴리프로필렌 복합재료 및 이의 제조방법 | |
| Rohit et al. | Tensile and impact behaviour of thermoplastic BOPP/milk pouches blends reinforced with sisal fibers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |